柏哥的数字电压表课程设计.doc

《电子技术课程设计》任务书
1．课程设计的内容和规定（涉及原始数据、技术规定、工作规定等）：
一、设计一数字电压表（仿真或做实物）
二、重要技术指标与规定：
（1）重要技术指标
直流电压测量范围：0-220V
分5档，200mV、2V、20V、200V、1000V
测量速度：2~4次/s(自选)
分辨率：0.1 mV
测量误差：＜±0.1%
（2）基本功能
a 正负电压极性显示；
b小数点显示；
c 超量程显示。
（3）扩展功能
量程自动转换功能

2．对课程设计成果的规定〔涉及图表（或实物）等硬件规定〕
设计电路，安装调试或仿真，分析实验结果，并写出设计说明书,语言流畅简洁，文字不得少于3500字。规定图纸布局合理，符合工程规定，使用Protel软件绘出原理图（SCH）和印制电路板(PCB),器件的选择要有计算依据。
3．重要参考文献：
[1] 陈明义. 电工电子技术课程设计指导[M]. 长沙：中南大学出版社，2023
[2] 谢自美.电子线路设计、实验、测试[M].武汉：华中科技大学出版社，2023
[3] 邹其洪，黄智伟等.电工电子实验与计算机仿真[M].北京：电子工业出版社，2023
[4] 毕满清. 电子技术实验与课程设计[M]. 北京：机械工业出版社，1995
[5] 周惠朝. 常用电子元件及典型应用. 北京：电子工业出版社出版. 2023
4．课程设计工作进度计划：
序号
起 迄 日 期
工 作 内 容
1
2023.1.2
布置任务，教师讲解设计方法及规定
2
2023.1.3--2023.1.6
学生查找阅读资料，初定方案,小组会议讨论并拟定方案
3
2023.1.7-2023.1.12
设计及计算
4
2023.1.13-2023.1.14
仿真实验并写说明书，小组讨论
5
2023.1.15
答辩
主指导教师

日期：
年 月 日

目 录

摘要……………………………………………………………………………2
引言……………………………………………………………………………3
1. 设计方案选择………………………………………………………………4
1.1设计方案一…………………………………………………………………4
1.2设计方案二…………………………………………………………………6
1.3设计方案选择……………………………………………………………7
2.具体设计方案………………………………………………………………7
2.1芯片结构与功能介绍……………………………………………………7
2.2 电路原理分析与电路设计………………………………………………11
2.3 数字电压表调试…………………………………………………………12
2.4 设计结论…………………………………………………………………12
3.结束语………………………………………………………………………13
4.参考文献……………………………………………………………………14
附录一 元器件清单…………………………………………………………15
附录二 电路原理图…………………………………………………………16
附录三 PCB图………………………………………………………………17

摘 要
本设计为数字电压表设计,设计初共参考了二种方案,由于设计的规定没有使用单片机,采用了一个核心器件是双积分型MC14433A/D转换器,一方面将输入的模拟电压信号变换成易于准确测量的时间量，即模拟量转化为数字量,然后在这个时间宽度里用计数器计时，计数结果就是正比于输入模拟电压信号的数字量。数字信号经七段译码器CC4511译码后，驱动四只LED数码管的各段阳极,用MC1413选通数码管位选,选然后通过动态扫描用四位的共阴数码管显示出结果。在设计的过程中使用了Protel 99SE电路板设计软件。
关键词：模拟；数字；MC14433A/D转换器;CC4511译码; Protel 99SE。

Abstract

The design for the digital voltage meter design, design reference to the beginning of a total of two programs, the design requirements do not use SCM, the use of a core device is the dual slope MC14433A / D converter, the first analog input voltage signal converted into easy-to- accurately measure the amount of time, the analog to digital conversion, then the width at this time in time with a counter, counting result is proportional to the input analog voltage. Seven-Segment decoder digital signal by the CC4511, after decoding, driving four paragraphs LED digital tube anode, with the MC1413 Choice of digital strobe, the election and then after a dynamic scan with the four-digit common cathode LED displays the results. In the design process using the circuit design software Protel 99 SE.
Key words: Analog; digital; MC14433A / D converter; CC4511 decoding.

引 言
智能仪器是仪器仪表的一种近年来计算机技术及微电子器件在工程技术中应用十分广泛，在此基础上发展起来的智能仪表无论是在测量的准确性、灵敏度、可靠性、自动化限度、运用功能方面还是在解决测量技术与控制技术问题的深度及广度方面都有了很大的发展，以一种崭新的面貌展示在人们的面前。数字电压表是在此基础上发展起来，并被广泛的应用。数字电压表（Digital Voltmeter）简称DVM，它是智能仪器中最常见的，是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。目前，由各种单片A/D 转换器构成的数字电压表，已被广泛用于电子及电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等领域，显示出强大的生命力。与此同时，由DVM扩展而成的各种通用及专用数字仪器仪表，也把电量及非电量测量技术提高到崭新水平数字电压表的特点：显示清楚直观，读数准确；传统的模拟式仪表必须借助于指针和刻度盘进行读数，在读数过程中不可避免地会引入人为的测量误差（例如视差），并且容易导致视觉疲劳。数字电压表则采用先进的数显技术，使测量结果一目了然，只要仪表不发生跳数现象，测量结果就是惟一的，不仅保证读数的客观性与准确性，还符合人们的读数习惯，能缩短读数和记录的时间。

1 设计方案选择
1.1设计方案一: CC7107 A/D转换器组成的位直流数字电压表
CC7107型A / D转换器是把模拟电路与数字电路集成在一块芯片上的大规模的CMOS集成电路，它具有功耗低、输入阻抗高、噪声低，能直接驱动共阳极LED显示器，不需另加驱动器件，使转换电路简化等特点。CC7107各引出端功能见表1.1，引脚排列及功能和CC7107组成的位直流数字电压表接线图分别见图1.1和图1.2。
表1.1
端 名
功 能
V+和V-
电源的正极和负极
aU～gU
aT～gT
aH～gH
个位、十位、百位笔画的驱动信号，依次接至个位、十位、百位数码管的相应笔画电极
abk
千位笔画驱动信号，接千位数码管的a、b两个笔画电极
PM
负极性指示的输出端，接千位数码管的g段。PM为低电位时显示负号
INT
积分器输出端，接积分电容
BUF
缓冲放大器的输出端，接积分电阻
AZ
积分器和比较器的反相输入端，接自动调零电容
IN+、IN-
模拟量输入端，分别接输入信号的正端与负端
COM
模拟信号公共端，即模拟地
CREF
外接基准电容
VREF+、VREF-
基准电压的正端和基准电压的负端
TEST
测试端。该端经500Ω电阻接至逻辑线路的公共地。当作“测试指示”时，把它与V+短接后，LED所有笔画点亮，显示数1888
OSC1～OSC2
时钟振荡器的引出端，外接阻容元件组成多谐振荡器

图1.1 CC7107的脚排引列及功能

图1.2 CC7107组成的位直流数字电压表接线图

外围元件的作用是：
R1、C1为时钟振荡器的RC网络。
R2、R3是基准电压的分压电路。R2使基准电压VREF＝1V
R4、C3为输入端阻容滤波电路，以提高电压表的抗干拢能力，并能
增强它的过载能力。
C2、C4分别是基准电容和自动调零电容。
R5、C5分别是积分电阻和积分电容。
CC7107的第21脚（GND）为逻辑地，第37脚（TEST）通过芯片内
部的500Ω电阻与GND接通。
芯片自身功耗小于15mW（不涉及LED），能直接驱动共阳极的LED
显示器，不需要另加驱动器件，在正常亮度下每个数码管的全亮笔画电流大约为40～50mA。
CC7107没有专门的小数点驱动信号，使用时可将共阳极数码管的
公共阳极接V+，小数点接GND时点亮，接V+时熄灭。

1.2设计方案二: MC14433组成的位直流数字电压表
MC14433是3位半双积分A/D转换器。抗干扰性强；输入电阻≥1000MΩ；转换精度高；自动校零；自动极性输出；自动量程控制信号输出；动态字位扫描BCD码输出；单基准电压；测量速度为2~4次/s。该芯片重要外接元件有时钟振荡电路的外接电阻、补偿电容、以及积分阻容元件。模拟电路部分有基准电压、模拟电压输入。被转换的模拟电压输入量程为199.9mV，1.999V，19.99V，199.9V和219.9V五种，与之相相应的基准电压相应为+200mV，+2V，+20V，+200V，+1000V五种。数字电路部分有逻辑控制、BCD码及输出锁存、多路开关、时钟、极性判断及溢出检测等电路。
本设计实验实现的功能是将输入的模拟电压信号转换为数字形式显示。模拟量为0～±119.9V时，相应的数字量为0～±119.9，由串行静态显示。过量程引脚OR可与蜂鸣器及发光二极管电路连接，当模拟量绝对值超过220V时，有声光报警。

设计中使用MC14433接口电路模块，单片机最小应用系统1的 P0口接MC14433接口电路的Q0～DS4口，INT1接DU/EOC，单片机最小应用系统1的P1.0、P1.1连接到串行静态显示模块的DIN、CLK。模拟信 号输入接+5V电源和地。

1.3设计方案选择
与CC7106相比，MC14433采用动态扫描显示，有多路调制的BCD码输出端和超量程信号输出端，便于实现自动控制。相比之下设计参考方案二较好，因此选择以MC14433组成的位直流数字电压表作为本次课程设计的具体设计方案。

2．具体设计方案

2.1芯片结构与功能介绍
2.1.1 MC14433芯片：
MC14433芯片常用于数显仪表，是一种采用双积分形式的A/D转换器，合用于低速A/D转换(2～4次/s)，具有良好的工频干扰克制能力和相称于11位二进制数的转换精度。此外，MC14433芯片还具有了诸如自动校零、自动极性辨别、自动量程控制、动态字位扫描及BCD码形式输出等测量仪表所必备的功能。MC14433是CMOS双积分式位A / D转换器，它是将构成数字和模拟电路的约7700多个MOS晶体管集成在一个硅芯片上，芯片有24只引脚，采用双列直插式，其引脚排列与功能如图2.1所示。

图2.1 MC14433的引脚排列与功能
引脚功能说明：
VAG　　 　模拟地；
VREF 　基准电压；
VX 　　输入被测电压；
Ri，Ri/Ci，Ci　外接积分元件 Ri，Ci，典型值为Ci=0.1μF, Ri=470KΩ(量程2V)或Ri = 27KΩ(量程200mV)；
C01，C02 补偿电容，典型值为0.1uF；
DU 转换结果输出控制端，在其正脉冲作用下输出转换结果。先输出千位；
CLKI，CLKO 　时钟输入/输出，一般接一个470KΩ电阻。阻值增大时，内部时针频率减少；
VEE 负电源；
VSS 公共端；
EOC 转换结束标志。转换时为0，转换结束输出一正脉冲；
OR 　超量程溢出标志，低电平有效；
DS4~DS1　多路选通信号输出端，分别相应个位、十位、百位、千位；
Q0~Q3　A/D转换结果输出，BCD码；
VDD 正电源；
MC14433的转换输出时序如图2.2所示:

图2.2

Q0～Q3 （20～23脚）：BCD码数据输出端，DS2、DS3、DS4选通脉冲期间，输出三位完整的十进制数，在DS1选通脉冲期间，输出千位0或1及过量程、欠量程和被测电压极性标志信号。
DS1选通时Q0～Q3表达的输出结果DS1＝１时，Q3Q2Q1Q0输出过量程、欠量程、千位和极性标志的编码如表3.1所示：

表2.1

由表2.1可知，Q3在Q0=0时，表达千位数的内容： Q3=0，千位为1；Q3=1，千位为0。Q3在Q0=1时，表达过、欠量程： Q3=0，表达过量程；Q3=1表达欠量程。当量程选为1.999 V时，过量程表达被测信号大于1.999 V；欠量程表达被测信号小于0.179 V。Q2表达被测信号的极性： Q2=1，为正极性；Q2=0，为负极性。
MC14433具有自动调零，自动极性转换等功能。可测量正或负的电压值。当CP1 、CP0 端接入470KΩ 电阻时，时钟频率≈66KHz，每秒钟可进行4次A / D转换。它的使用调试简便，能与微解决机或其它数字系统兼容，广泛用于数字面板表，数字万用表，数字温度计，数字量具及遥测、遥控系统。

2.1.2精密基准电源MC1403
A / D转换需要外接标准电压源作参考电压。标准电压源的精度应当高于A / D转换器的精度。本设计采用MC1403集成精密稳压源作参考电压，MC1403的输出电压为 2.5V，当输入电压在4.5～15V 范围内变化时，输出电压的变化不超过3mV，一般只有0.6mV左右，输出最大电流为10mA。MC1403引脚排列如图2.3所示。

2.1.3 CMOS BCD七段译码／驱动器CC4511
七路达林顿晶体管列阵MC1413 MC1413采用NPN达林顿复合晶体管的结构，因此有很高的电流增益和很高的输入阻抗，可直接接受MOS或CMOS集成电路的输出信号，并把电压信号转换成足够大的电流信号驱动各种负载。该电路内具有7个集电极开路反相器（也称OC门）。MC1413电路结构和引脚排列如图2.4 所示，它采用16引脚的双列直插式封装。每一驱动器输出端均接有一释放电感负载能量的克制二极管。

图2.3 MC1403引脚排列 图2.4 MC1413的电路结构和引脚排列

2.2 电路原理分析与电路设计
2.2.1电路原理分析
被测直流电压VX经A / D转换后以动态扫描形式输出，数字量输出端Q0 Q1 Q2 Q3 上的数字信号(8421码)按照时间先后顺序输出。位选信号DS1 ，DS2，DS3，DS4通过位选开关MC1413分别控制着千位、百位、十位和个位上的四只LED数码管的位选。数字信号经七段译码器CC4511译码后，驱动四只LED数码管的各段阳极。这样就把A / D转换器准时间顺序输出的数据以扫描形式在四只数码管上依次显示出来，由于选通反复频率较高，工作时从高位到低位以每位每次约300μS的速率循环显示。即一个4位数的显示周期是1.2ms，所以人的肉眼就能清楚地看到四位数码管同时显示三位半十进制数字量。
当参考电压VR＝2V 时，满量程显示1.999V；VR＝200mV时，满量程为199.9mV。可以通过选择开关来控制千位和十位数码管的h笔经限流电阻实现对相应的小数点显示的控制。
最高位（千位）显示时只有b、c二根线与LED数码管的b、c脚相接，所以千位只显示1或不显示，用千位的g笔段来显示模拟量的负值（正值不显示），即由MC14433的Q2 端通过NPN晶体管9013来控制g段。
过量程标志输出端接发光二极管和有源蜂鸣器负极,另一端接5V的电压.当正常工作时为高电平,二极管和有源蜂鸣器不会发光和鸣叫,当｜VX｜＞VR即输入测量电压大于基准电压时, 二极管和有源蜂鸣器会发光和鸣叫,实现了声光报警。

2.2.2 电路设计
运用Protel 99SE电路板软件绘制出数字电压表的原理图（SCH）和印制电路板图(PCB)，分别见附录二和附录三所示。制作数字电压表时的元器件清单如附录一所示。

2.3 数字电压表调试
插上MC1403基准电源，用标准数字电压表检查输出是否为2.5V，然后调整10KΩ电位器，使其输出电压为2.00V，调整结束后去掉电源线，供总装时备用。
将输入端接地，接通+5V，－5V电源（先接好地线），此时显示器将显示“000”值，假如不是，应检测电源正负电压。用示波器测量、观测DS1～DS4 ，Q0～Q3 波形，判别故障所在。
用电阻、电位器构成一个简朴的输入电压VX 调节电路，调节电位器，4位数码将相应变化，然后进入下一步精调。
用标准数字电压表（或用数字万用表代）测量输入电压，调节电位器，使VX＝1.000V，这时被调电路的电压指示值不一定显示“1.000”，应调整基准电压源，使指示值与标准电压表误差个位数在5之内。
改变输入电压VX极性，使Vi＝－1.000V，检查“－”是否显示，并按4方法校准显示值。
在－119.9V～0～+119.9V量程内再一次仔细调整（调基准电源电压）使所有量程内的误差均不超过个位数在5之内。
至此一个测量范围在±220V的三位半数字直流电压表调试成功。0～200mV；0～2V；0～20V；0～200V；0～220V分别相应200mV；2V；20V；200V；1000V共5档。大量程的测量可以通过度压电阻比例来测量。

2.4 设计结论
本次设计直流数字电压表的核心器件是一个双积分型MC14433A / D转换器，它一方面将输入的模拟电压信号变换成易于准确测量的时间量，然后在这个时间宽度里用计数器计时，计数结果就是正比于输入模拟电压信号的数字量。然后通过动态扫描用四位的共阴数码管显示出结果。接下来就是运用Protel 99SE电路板设计软件绘制出数字电压表的电路原理图（SCH）和印制印制电路板PCB图。最后就是数字电压表的调试。

3.结束语

第一次做课程设计，这样的学习方式让我体会到了学以致用的乐趣。
以前历来没有接触过类似的问题，所以感觉有很困难，难点很多。一方面就是电路的设计上，由于所学知识所限，并不是什么电路都能设计，也不是每次都能达成到自己满意的规定，这需要在实际的电路中不断测试，更改。然后就是电路图的绘制问题，虽然在前几周还搞了Protel 99SE的实习，但真正用Protel 99SE软件来设计一个较复杂的电路PCB板还真碰到不少困难。
通过这次的课程设计让我了解了很多芯片工作原理如：A/D转换器MC14433,七段译码/驱动器CD4511，七路达林顿晶体管MC1413等.对整体的电路设计有了全局的概念，以及对理论与实际运用之间的差别有了更深的理解。通过不断的修改和调试，这对我的耐力和定力得到了很大的锻炼, 对器件的辨认和封装都有了更深的理解。这次电路设计虽然并不是很复杂，但整个电路制作过程让我积累了经验，为以后的更复杂的电路奠定了基础，并且还提高了我的撰写报告的能力。
由于时间很紧，本人实践和理论水平均有限，设计中肯定与许多局限性之处。感谢设计过程中指导老师的耐心指导，在课程设计的时候同组的同学以及一些电子设计方面较强的同学给了我不少帮助和指导，没有大家的合作与帮助，本次课程设计很难顺利完毕。我在此也感谢同学们！

4．参考文献

[1] 陈明义. 电工电子技术课程设计指导[M]. 长沙：中南大学出版社，2023
[2] 谢自美.电子线路设计、实验、测试[M].武汉：华中科技大学出版社，2023
[3] 邹其洪，黄智伟等.电工电子实验与计算机仿真[M].北京：电子工业出版社，2023
[4] 毕满清. 电子技术实验与课程设计[M]. 北京：机械工业出版社，1995
[5] 周惠朝. 常用电子元件及典型应用. 北京：电子工业出版社出版. 2023
[6] 康华光. 电子技术基础模拟部分（第5版），北京：高等教育出版社, 2023.12
[7] 康华光. 电子技术基础数字部分（第5版），北京：高等教育出版社, 2023.12
[8] 秦业.Protel 99SE实战详解与技巧，北京：机械工业出版社，2023.7
[9] 张伟. Protel 99SE实用教程，北京：人民邮电出版社，2023.5
[10] 陈世和.电工电子实习教程，北京：北京航空航天大学出版社，2023.8

附录一 元器件清单

名称
规格
数量
七段译码器
CD4511
1
A\D转换器
MC14433
1
精密基准电源
MC1403
1
七路达林顿晶体管
MC1413
1
电容
0.1uf,0.01uf
若干
滑动变阻器
0～10K
2
有源蜂鸣器
不详
1
二极管
发光二极管
1
电阻
470K，100,3K，1K
若干
共阴数码管
不详
4

附录二 电路原理图

附图1 数字电压表的原理图（SCH）

附录三 PCB图

附图2 PCB图